濾波器基本知識介紹

1、 劉占目錄目錄濾波器概述濾波器的分類 1.按所處理的信號 2.按所通過信號的頻段 3.按所采用的元器件 濾波器設計 濾波器選取 數(shù)字濾波器 模擬濾波器 濾波器內(nèi)容的拓展 簡介簡介 濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過,而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制,它實質(zhì)上是一個選頻電路. 濾波器中,把信號能夠通過的頻率范圍,稱為通頻帶或通帶；反之,信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù),在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶.濾波器概述濾波器概述 濾波器是能選擇、通過或抑

2、制某頻率范圍信號的電路或器件.早在19世紀80年代,電阻、電容濾波電路就已經(jīng)出現(xiàn).具有頻率選擇功能的電感、電容諧振回路(圖1)可作為最簡單的濾波器. 由于許多電路和系統(tǒng)都要區(qū)分不同頻率的信號,濾波器遂被廣泛地用在通信、廣播、雷達以及許多儀器和設備中. 圖1頻率選擇電路下邊介紹一下常用濾波器的材質(zhì)及工作原理下邊介紹一下常用濾波器的材質(zhì)及工作原理 陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛陶瓷材料制成.石英晶體濾波器是由SiO2材料制成.上述兩種濾波器的工作原理相同,都是利用這些材料的壓電效應,產(chǎn)生機械形變和電場間的相互轉(zhuǎn)變,使絕緣材料用到了交變流路中.聲表面濾波器(SAW)是由鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英晶體壓電材料為基

3、礎構(gòu)成的一種電-聲換能器.它是通過真空鍍法將金屬蒸發(fā)在壓電基體上,然后通過光刻工藝制成的. SAW由于采用與集成電路相同的平面加工工藝,制造簡單,一致性能好,是目前應用極為廣泛的集中選頻濾波器. 常見石英晶體濾波器和常見石英晶體濾波器和SAWSAW的一些典型參數(shù)如下的一些典型參數(shù)如下: :石英晶體濾波器指標聲表面帶通濾波器的指標下邊介紹一下濾波器的應用頻率范圍下邊介紹一下濾波器的應用頻率范圍型號型號標稱頻率標稱頻率f0/MHzf0/MHz 3dB3dB帶寬帶寬KHzKHz 通帶紋波通帶紋波dBdB 阻帶寬度（阻帶寬度（4040dB)KHzdB)KHz 插入損耗插入損耗dBdB中心頻率偏差中心頻

4、率偏差KHzKHzLP2107310.7202322.51LP1214121.4150.53021LT25100.02%f00.16%f0234BW6LT250252286中心頻率中心頻率/ /MHzMHz101500相對帶寬相對帶寬f/f0f/f050%以上最小帶寬最小帶寬/ /KHzKHz100矩形系數(shù)矩形系數(shù)1.15帶外抑制帶外抑制/ /dBdB60以上帶內(nèi)波動帶內(nèi)波動/ /dBdB0.05插入損耗插入損耗/ /dBdB最大達25dB濾波器的應用頻率范圍濾波器的應用頻率范圍 濾波器的應用頻率范圍極寬,有適用于低到零點幾赫的濾波器,也有高到微波波段的濾波器.根據(jù)濾波頻率的中心頻率和其他要求

5、的不同,濾波器中采用各種諧振元件,電感、電容是最常用的諧振元件.對于工作于1千赫100兆赫、相對帶寬較窄且溫度和時間穩(wěn)定性要求高的濾波器,常用壓電晶體作為諧振元件(見晶體濾波器).還有用金屬棍、盤作為諧振元件的機械濾波器,和把晶體與機械濾波器原理合并而成聲表面波濾波器（圖2）. 圖2 不同的濾波器適應的頻率范圍 常用濾波器的特點介紹常用濾波器的特點介紹 SAW的工作頻率最高.陶瓷濾波器最低；晶體濾波器的相對帶寬最窄,而SAW可窄可寬；均有一定的插入損耗,特別是多級級聯(lián)實現(xiàn)良好的矩形系數(shù)要求是,插入損耗會更大.使用這些濾波器時需要注意的是：所有的這些濾波器特性,均是在輸入輸出匹配的條件下測得的,

6、因此使用時必須注意濾波器的前后的阻抗匹配.濾波器有一定的插入損耗,它與放大器相連時若放在放大器前面,先濾波后放大,有利于清除干擾,但不利于整機的噪聲性能.若放在放大器后面,有利于提高噪聲性能,但干擾也被放大,特別是強干擾會引起一系列的失真.一般需要具體問題具體考慮. 濾波器類型濾波器類型巴特沃斯濾波器（最平坦響應）巴特沃斯濾波器（最平坦響應） 巴特沃斯濾波器.特點是通頻帶的頻率響應曲線最大限度平坦,沒有起伏,而在阻頻帶則逐漸下降為零.巴特沃斯響應能夠最大化濾波器的通帶平坦度.特別適用于低頻,其對于維護增益的平坦性非常重要.在振幅的對數(shù)對角頻率的波特圖上(下圖),從某一邊界角頻率開始,振幅隨著角

7、頻率的增加而逐步減少,趨于負無窮大.切比雪夫濾波器切比雪夫濾波器(1)(1) 切比雪夫濾波器是在通帶或阻帶上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器.在通帶波動的為I型切比雪夫濾波器,在阻帶波動的為 II型切比雪夫濾波器.切比雪夫濾波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快,但頻率響應的幅頻特性不如后者平坦.切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應曲線之間的誤差最小,但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動. 那么是I型和II型哪種常用呢?I型切比雪夫濾波器最為常見.II型切比雪夫濾波器,也稱倒數(shù)切比雪夫濾波器.較不常用,主要原因: 1.頻率截止速度不如I型快, 2.需要用更多的電子元件.切比雪夫響應切比雪夫響應(2)(2)

8、切比雪夫濾波器的頻率響應曲線如下：兩種濾波器的使用范圍：如果需要快速衰減而允許通頻帶存在少許幅度波動,可用第一類切比雪夫濾波器.如果需要快速衰減而不允許通頻帶存在幅度波動,可用第二類切比雪夫濾波器. 橢圓函數(shù)濾波器橢圓函數(shù)濾波器 橢圓濾波器是在通帶和阻帶等紋波的一種濾波器.橢圓函數(shù)濾波器相比其他類型的濾波器,在階數(shù)相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動.它在通帶和阻帶的波動相同,這一點區(qū)別在通帶和阻帶都平坦的巴特沃斯濾波器,以及通帶平坦、阻帶等波紋或是阻帶平坦、通帶等波紋的切比雪夫濾波器. 橢圓函數(shù)濾波器的頻率響應曲線如下：三種濾波器的對比（三種濾波器的對比（1） 三種濾波器的對比（三種濾波器的

9、對比（2 2） 從上圖可以看到：巴特沃斯濾波器的衰減速度比其他類型的濾波器緩慢,但十分平坦,沒有幅度變化.兩種切比雪夫濾波器比巴特沃斯濾波器陡峭,但不如橢圓函數(shù)濾波器,然后后者幅度波動較大.橢圓濾波器比其他濾波器更陡,因此在選擇濾波器的時候,橢圓濾波器能夠以比較低的階數(shù)獲得較窄的過度頻寬,但是它在通帶和阻帶上都有波動.濾波器的分類濾波器的分類按所處理的信號按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種.按所通過信號的頻段按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種: 1.低通濾波器:允許信號中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量或干擾和噪聲.2.高通濾波器:允許信號中的高頻分量通過,抑制

10、低頻或直流分量.3.帶通濾波器:允許一定頻段的信號通過,抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲. 4.帶阻濾波器:抑制一定頻段內(nèi)的信號,允許該頻段以外的信號通過.按所采用的元器件按所采用的元器件按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種.無源濾波器 無源濾波器僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的.這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單,不需要直流電源供電,可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗,負載效應比較明顯,使用電感元件時容易引起電磁感應,當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用.有源濾波器 有源濾波器由無源元件(一般

11、用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成.這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗,而且還可以放大,負載效應不明顯,多級相聯(lián)時相互影響很小,利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場合不適用.濾波器設計濾波器設計 濾波器特性可以用其頻率響應來描述,按其特性的不同,可以分為低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器和帶阻濾波器等. 用來說明濾波器性能的技術(shù)指標主要有：中心頻率f0,即工作頻帶的中心頻率帶寬BW

12、通帶衰減,即通帶內(nèi)的最大衰減 阻帶衰減最小插入衰減. 現(xiàn)代濾波器設計,多是采用濾波器變換的方法加以實現(xiàn).主要是通過對低通原型濾波器進行頻率變換與阻抗變換,來得到新的目標濾波器.濾波器選取濾波器選取(1)(1) 集總低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡綜合法設計濾波器的基礎,各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據(jù)此特性推導出來的.正因如此,才使得濾波器的設計得以簡化,精度得以提高. 理想的低通濾波器應該能使所有低于截止頻率的信號無損通過,而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形,故而也稱為矩形濾波器.遺憾的是,如此理想的特性是無法實現(xiàn)的,所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波

13、器的特性而已.根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同,可以得到不同的響應.雖然逼近函數(shù)函數(shù)多種多樣,但是考慮到實際電路的使用需求,我們通常會選用“巴特沃斯響應”或“切比雪夫響應”.濾波器選取濾波器選取(2)(2) “巴特沃斯響應”帶通濾波器具有平坦的響應特性,而“切比雪夫響應”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性.所以具體選用何種特性.需要根據(jù)電路或系統(tǒng)的具體要求而定.但是,“切比雪夫響應”濾波器對于元件的變化最不敏感,而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性（位于通帶的中部）,所以在一般的應用中,推薦使用“切比雪夫響應”濾波器. 上面提到了矩形濾波器,下邊簡單介紹一下什么是矩形濾波器 ? 矩形濾波器矩形濾波器 矩形

14、濾波器,是理想的低通濾波器的模型,它能使所有低于截止頻率的信號無損通過,同時,所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減,從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形,并因此而得名“矩形濾波器”. 在現(xiàn)實中，如此理想的特性是無法實現(xiàn)的，所有的設計只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。 根據(jù)所選的逼近函數(shù)的不同，可以得到不同的響應。通常會選用“巴特沃斯響應”或“切比雪夫響應”。 到這里大家對模擬濾波器應該是有了一定的了解.下邊簡單說一下數(shù)字濾波器. 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器(digital filter)是指輸入輸出均為數(shù)字信號,通過一定運算關(guān)系改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或者濾除某些頻率成分的器件

15、.它工作在數(shù)字信號域,它處理的對象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字信號.數(shù)字濾波器一般由寄存器、延時器、加法器和乘法器等基本數(shù)字電路實現(xiàn). 數(shù)字濾波器概述數(shù)字濾波器概述 數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號進行濾波處理以得到期望的響應特性的離散時間系統(tǒng).數(shù)字濾波器與完全工作在模擬信號域的模擬濾波器不同.數(shù)字濾波器工作在數(shù)字信號域,它處理的對象是經(jīng)由采樣器件將模擬信號轉(zhuǎn)換而得到的數(shù)字信號. 數(shù)字濾波器的工作方式與模擬濾波器也完全不同：后者完全依靠電阻、電容、晶體管等電子元件組成的物理網(wǎng)絡實現(xiàn)濾波功能；而前者是通過數(shù)字運算器件對輸入的數(shù)字信號進行運算和處理，從而實現(xiàn)設計要求的特性。應用數(shù)字濾波器處理模擬信號時,須對輸入模擬信號進行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換. 數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型.它可以是時不變的或時變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的.數(shù)字濾波器特性數(shù)字濾波器特性(1)(1)數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器更高的精度,甚至能夠?qū)崿F(xiàn)后者在理論上也無法達到的性能。數(shù)字濾波器相比模擬濾波器有更高的信噪比.這主要是因為數(shù)字濾波器是以數(shù)字器件執(zhí)行運算,從而避免了模擬電路中噪聲（如電阻熱噪聲）的影響。數(shù)字濾波器還具有模擬濾波器不能比擬的可靠性。